重载铁路牵引供电系统关键技术研究.pdf

・四电工程・重载铁路牵引供电系统关键技术研究吴凤娟（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京１０２６００）摘要结合重载铁路的特点，根据不同电力机车类型可能产生的相关问题，重点对重载铁路牵引供电系统存在低速过分相、负序谐波以及再生自动能量抬升网压等系列情况，有针对性地提出相关的解决方案，体现目前国内最先进的铁道电气化新技术，为重载铁路电气化的发展指明方向。关键词重栽铁路负序谐波同相供电中图分类号Ｕ２３９．４；Ｕ２３３．６文献标识码Ａ——文章编号１００９４５３９（２０１６）０１一００６４０４ＫｅｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＴｒａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＳｙｓｔｅｍｉｎＨｅａｖｙ・ｈａｌｌｌＲａｉｌｗａｙＷｕＦｅｎｇｊｕａｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＦｉｆｔｈＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２６００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｅａｖｙ－ｈａｕｌｒａｉｌｗａｙ，ａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｉｓｓｕｅｓｐｒｏｂａｂｌｙｂｅｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｉｔｈａｆｏｃｕｓｏｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｓｉｔ・ｕａｔｉｏｎｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎ—ｈｅａｖｙｈａｕｌｒａｉｌｗａｙｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈａｓｌｏｗｓｐｅｅｄｐａｓｓｉｎｇｎｅｕｔｒａｌｓｅｃｔｉｏｎ，ｎｅｇａｔｉｖｅｓｅ－ｑｕｅｎｃｅｈａｒｍｏｎｉｃｗａｖｅ，ａｎｄｌｉｆｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｂｏｖｅ，ｉｔｒｅｆｌｅｃｔｓｔｈｅｍｏｓｔａｄｖａｎｃｅｄｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｒａｉｌｗａｙｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｃｕｒｒｅｎｔＣｈｉｎａ，ａｎｄｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｅａｖｙ－ｈａｕｌｒａｉｌｗａｙｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｅａｖｙ・ｈａｕｌｒａｉｌｗａｙ；ｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅ；ｈａｒｍｏｎｉｃｗａｖｅ；ｃｏｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．，．一也大为增加，目前运营中存在的突出技术问题主要。亏Ｉ昌为以下几个方面：目前我国重载铁路事业蓬勃发展，以大秦铁（１）重载铁路运行速度不高，当电力机车过分路、神朔铁路为首的重载列车线路，运输能力强，牵相时会造成机车速度的进一步降低，从而降低运输引定数大，大秦铁路的牵引重量已经达到２万ｔ，随效率，当电分相位置位于大坡道位置时，可能引起着牵引定数的增大，重载铁路对牵引供电系统的能重载机车的坡停，影响重载铁路的正常运行。力需求也急剧增加，相应也衍生出较为突出的关键（２）随着重载铁路机车牵引功率的增大，其牵技术问题。引电流相应增大，从而会造成牵引供电系统的电能２重载铁路存在的突出问题苎｝恩题更为明显，尤其是系统的负序问题会更加”突出。。重载铁路由于其牵引定数高，其机车运行时通（３）当重载铁路采用传统的交直型电力机车牵常由交直型机车或交直交型电力机车双机牵引，由引时，由于交直型电力机车采用半控桥式整流，通于机车牵引电流大，其对牵引供电系统的能力需求过晶闸管控制导通角来控制机车出力，所以，交直机车在整流过程中会产生大量的３、５、７等低频段的——收稿日期：２０１５１１１１高次谐波电流旧Ｊ，同时功率因数较低。ｆＹ２０基１１金０１项４－２只：中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研发项目（４）当重载铁路采Ｉ田－１１交直交型机车牵引时，牵ｆ）Ｌ叶，ｊ里戳以婀不Ｘ且Ｘ型倒Ｌ干半了Ｉ口Ｙ＇｜牛“铁道建蒴技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６ｆ０，Ｊ万方数据・四电工程・引网侧交直交机车采用四象限整流，通过ＧＴＯ或ＩＧＢＴ控制导通和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波，且电流与电压的相位基本同步。所以，交直交型电力机车的谐３、５、７次等低频段的高次波含量很小、功率因数高，但２０次以上的高次谐波含量范围有所增加。（５）随着交直交型电力机车的大量上线，再生制动能量开始引起技术人员的关注【３Ｊ，尤其是重载铁路牵引电流大，相应地再生制动电能也很大，当供电臂内机车制动产生大量再生制动能量而无电力机车吸收时，可能会造成接触网的电压抬升问题，从而造成牵引闭锁。３相关问题的技术解决方案针对以上重载铁路运行中供电系统可能存在的各种问题，提出有效的技术解决方案。３．１过分相掉速问题牵引供电系统中在牵引变电所出口设置异相电分相、在分区所出口设置同相电分相ＭＪ。机车过分相时会造成机车断电通过，从而引起机车掉速的问题口Ｊ。解决此问题主要从以下几个方面考虑。３．１．１合理设置电分相在进行牵引供电系统设计时，应合理设置电分相。牵引供电方案布点研究时，在满足供电能力的∞前提下，尽量避免将供电臂设置得太短Ｊ，造成能力浪费且电分相数量增多；在考虑电分相具体位置时，原则上不应将分相设置在机车减速地段，如机车进出站等恰巧机车减速运行的位置。３．１．２设置地面自动相装置目前处理大坡道上设置分相的问题时，通常采用设置地面自动过分相装置，地面自动过分相装置通过沿线设置地磁传感器，识别列车所处位置后，控制分相所内的真空智能选相断路器【７Ｊ，实现机车的带电过分相，如图１所示。３．１．３同相供电技术同相供电系统是指为电力机车提供电能的各供电区间具有相同电压相位的牵引供电系统，即全线为同一相位的单相供电系统喁］，其从根本上取消了电分相，从而完全解决了机车过分相的掉速问题。铁道建翁技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯ￡．０ＧＹ本装置已在山西中南部铁路重载试验段进行安装试验。单相一三相组合式同相供电变电所主要包括２台单相牵引变压器（ｒＩ－Ｉ＇、ｒＩ－ｒＢ一主一备）和２套同相补偿装置（ＣＰＤ、ＣＰＤＢ一主一备）。其中每套同相补偿装置ＣＰＤ包括高压匹配变压器ＨＭＴ、交流电抗器Ｌ、同相补偿变流器ＡＤＡ、牵引匹配变压器—ＴＭＴＪ，其接线型式如图２所示。图１地面自动过分相所主接线２２０ｋｖ１样进线２２０ｋＶ２群进线卜１～～～ＩＪＬ上。、Ｌ山７，亿７亿７７ＨＭＴ！Ｉ伊ＨＭＴ２ｌ伊Ｌ＿！／＼ｂＬ＿：／＼ｂ‘广ｊＭ丧Ｉ一。ｆＬ兀芥埔黛ｒｆ２ｘ２７．５ｋＶ牵引母线ｌ。ｆ图２同相供电技术接线３．２负序问题（１）解决重载铁路的负序问题，首先想到的解决方案就是传统的相序轮换方式，但由于重载铁路负荷的随机性很强，就造成了三相负荷很难完全对称，相序轮换后依然会存在一定的负序电流【ｌ０｜。（２）其次就是在牵引变压器的选型上，尽可能采用平衡能力强的牵引变压器，如采用平衡变压器或Ｖ／Ｖ接线牵引变压器，当两供电臂供电负荷相对接近时，可以最大程度地减少负序电流的产生。２０１６ｆ０７Ｊ万方数据・四电工程・（３）采用同相供电技术，可实现有功传递，使得两供电臂的负荷在三相电力系统的分配更为对称均衡，可以有效解决重载铁路较为凸显的负序问题。３．３谐波问题针对交直型机车的３、５、７次等低频高次谐波的治理方案，以及交直交型的２０次以上高频高次谐波的治理方案采取不同的解决措施。（１）对于开行交直型列车的重载铁路，解决功率因数偏低及高次谐波问题，可考虑在牵引变电所内设置动态无功补偿装置，如ＳＶＧ等补偿设备，在有效提高功率因数的同时，可兼顾滤除３、５、７次高次谐波¨“ｏ（２）对于开行交直交型列车的重载铁路，要解决２０次以上高次谐波的问题，应在牵引变电所内设置高次谐波滤波装置，以滤除高次谐波，避免高频段谐波与供电系统发生谐振，引发事故。目前的高次谐波滤波装置主要为高通滤波器，高通滤波器试验原理如图３所示。整个试验系统主要由三相整流模块、ＡＰＦ、滤波器、三相调压器组成，可分别模拟阻波高通滤波器和二阶高通滤波器。．三相调压器ｆ０衔鲶，，ｌ。Ｐｒ哎ＪＩｌ墨潞ＡＰＦ．／¨¨｝１－一童ｕＬＪ一滤波一半一ｉ｝一ｉ查器一ｒ口Ｒ图３阻波高通滤波器试验原理３．４再生制动能力利用问题随着重载铁路交直交型电力机车的大量上线，已逐步替代传统的交直型电力机车，再生制动能量的回收利用问题成为大家越来越关注的问题，如何有效回收再生制动能量，避免网压抬升，成为目前最热门的问题。３．４．１供电臂上下行全并联供电目前的重载铁路大部分为供电臂末端通过分区所进行并联供电，此方式从再生制动能量吸收的铁道建筑技术角度具有一定的节能效果¨２１，若整个供电臂采用全并联的供电方式，则更利于上下行机车再生自动能量的相互吸收，其原理如图４所示。母线一一剩余再生电流至图４上下行全并联供电再生制动能量吸收系统３．４．２再生自动能量吸收装置目前再生制动能量吸收装置在城市轨道交通系统已发展相对成熟，但在重载铁路领域，尚属于新兴产物，再生制动能量系统装置可以采用超级电容等设备实时存储交直交型电力机车在制动过程中产生的再生制动能量，避免再生制动能量抬升牵引网电压的情况，同时可实现能量回收，节约能源。但目前国内相关的储能装置还没有成熟的定型产品，仍没有现场实施经验，随着电力电子技术的不断发展成熟，未来再生制动储能装置将在重载铁路领域具有广阔的发展空间。３．４．３同相供电技术在牵引变电所设置同相供电技术后，牵引变电所的两个供电臂合并，更有利于其中运行的多组列车牵引与再生电能的相互利用，直接减少从电力系统的取电，大大增加节能效果。４结论结合以上重载铁路牵引供电系统的特点，由此引发的机车运行中可能存在的问题，重点针对重载列车低速过电分相、负序问题、谐波问题以及交直交型机车引起的再生制动能量利用的问题等，系统地提出了有效的解决方案，涉及一系列的先进的牵引供电技术，如地面自动过分相技术、ＳＶＧ动态无功补偿技术¨３｜、高次谐波滤波技术等，尤其是目前引领铁道电气化潮流的同相供电技术可以有效地解决当前重载铁路牵引供电系统存在的各类问题，为未来重载铁路电气化发展提供全新的解决思路。ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６ｆＤ＂万方数据・四电工程・参考文献［１］董志杰杨振龙．同相供电技术在重载电气化铁路应用研究［ｃ］．铁路电气化技术装备交流展示会论文集，—２０１３：２８３１．［２］董志杰．重载铁路电能质量综合治理研究［Ｊ］．电能质—量及柔性输电技术研讨会论文集，２００８：１６３１６４．［３］易东，李群湛．高速铁路列车再生制动储能设备电参数计算［Ｃ］．中国铁道学会电气化委员会学术会议论—文集，２００６：１５７１５９．［４］张子林．考虑再生制动工况的高速动车组仿真研究—［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１１：３２３３．［５］吴凤娟．重载铁路牵引供电系统改造方案浅析［Ｊ］．—铁道标准设计，２００５（１２）：８５８７．［６］李春清，王志刚，范中，等．大秦线延庆一下庄供电臂电（上接第５０页）５．３实施效果通过对地表山体边坡及地表边坡的观察，洞顶及周边边坡未出现裂隙、危石等异常情况出现；洞内拱顶下沉、洞周净空收敛均在允许范围之内；通过现场观测，洞口段山体未发生位移，西江特大桥桥墩未发生位移，桥面未受到破坏；通过监测，在ＩＤＫ３７４＋０８５时最大爆破震动震速为１．００９ｅｎｖ＇ｓ，有效地控制在３ｃｍ／ｓ以内，爆破震动速度波形见图６。…ｉ陆…’ｌＩ图６最大爆破震动速度波形６结论“（１）利用小分块、多打眼、弱爆破、短进尺、控飞”石原则，优化爆破设计，通过监测，最大爆破震动震速仅１．００９ｃｍ／ｓ，即保证了隧道正常开挖，也有效地减少了对山体边坡及西江特大桥的扰动和破坏。（２）通过在洞口设置防护拱并在防护拱门段设置砂袋封堵洞门、设置防护排架、明洞段采用机械开挖等措施，有效地控制了爆破飞石，确保了繁忙国道、航道车辆（船只）及行人安全。铁道建筑技术ＲＭＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ—压偏低的解决方案［Ｊ］．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